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JP7561859B2 - Bistable shape memory alloy inertial actuator - Google Patents

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JP7561859B2 JP2022546098A JP2022546098A JP7561859B2 JP 7561859 B2 JP7561859 B2 JP 7561859B2 JP 2022546098 A JP2022546098 A JP 2022546098A JP 2022546098 A JP2022546098 A JP 2022546098A JP 7561859 B2 JP7561859 B2 JP 7561859B2
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Description

本発明は、双安定電流制御慣性アクチュエータ(bistable current-controlled inertial actuator)、その動作方法、及びデバイスでのその使用、特に、被駆動要素が形状記憶合金(shape memory alloy、以下「SMA」)で作られた1または複数のワイヤによって動かされるアクチュエータに関する。 The present invention relates to a bistable current-controlled inertial actuator, its method of operation and its use in a device, in particular an actuator in which the driven element is moved by one or more wires made of a shape memory alloy (hereinafter "SMA").

形状記憶現象は、この現象を示す合金で作製された機械要素(mechanical piece)が、温度変化時に、製造時に事前設定された2つの形状間を、非常に短い時間且つ中間的な平衡位置(intermediate equilibrium positions)無しで転移(transitioning)できるという事実にあることが知られている。現象が発生し得る最初のモードは「一方向(one-way)」と呼ばれ、当該機械要素は温度変化時に一方向に形状を変化させる、すなわち形状Aから形状Bに変態するのに対し、形状Bから形状Aへの反対方向への転移には、機械的な力を加える必要がある。 The shape memory phenomenon is known to consist in the fact that a mechanical piece made of an alloy exhibiting this phenomenon is able to transition, upon a change of temperature, between two shapes preset during manufacture, in a very short time and without intermediate equilibrium positions. The first mode in which the phenomenon can occur is called "one-way", in that the mechanical piece changes shape in one direction upon a change of temperature, i.e. transforms from shape A to shape B, while the transition in the opposite direction, from shape B to shape A, requires the application of a mechanical force.

これとは異なり、いわゆる「双方向(two-way)」モードでは、両方の転移は温度変化によって生じさせることが可能であり、本発明ではこれを適用することを意図している。これは、マルテンサイト系(martensitic)と呼ばれる低温で安定な状態(type)からオーステナイト系(austenitic)と呼ばれる高温で安定な状態に、またはその逆に転移する要素の微結晶構造の変態(transformation)により発生する(M/A転移及びA/M転移)。 Alternatively, in the so-called "two-way" mode, both transitions can be induced by temperature changes, and this is the mode intended to be applied in the present invention. This occurs due to a transformation of the crystallite structure of the elements from a type stable at low temperatures, called martensitic, to a type stable at high temperatures, called austenitic, and vice versa (M/A and A/M transitions).

SMAワイヤは、形状記憶要素の機能を発揮できるように調製される(trained)必要がある。SMAワイヤの調製プロセスでは、通常、良好な再現性で、ワイヤが加熱されるとマルテンサイト/オーステナイト(M/A)相転移を生じさせ、ワイヤが冷却されるとオーステナイト/マルテンサイト(A/M)相転移を生じさせることができる。M/A転移では、3%~5%のワイヤの短縮が起きるが、ワイヤが冷却されると、A/M転移によってこの短縮から回復し、ワイヤは元の長さに戻る。 SMA wire needs to be trained to function as a shape memory element. The SMA wire preparation process typically produces, with good repeatability, a martensite/austenite (M/A) phase transition when the wire is heated, and an austenite/martensite (A/M) phase transition when the wire is cooled. The M/A transition causes the wire to shorten by 3%-5%, but when the wire cools, the A/M transition restores this shortening and the wire returns to its original length.

加熱すると収縮し、冷却すると再伸長するSMAワイヤのこの特性は、非常にシンプルでコンパクト、信頼性が高く、安価なアクチュエータを得るために長い間利用されている。特に、この種のアクチュエータは、一部の双安定電気スイッチで、駆動要素を第1の安定位置から第2の安定位置に、またはその逆に移動させるのに使用されている。「駆動要素」という用語は、その動きが2つの安定した操作位置の間でのスイッチの切り替わりを決定する要素である限り、特定の製造ニーズに応じて無数の形状をとることができるため、ここでは非常に一般的な意味を持つことを意図している。 This property of SMA wires, contracting when heated and re-extending when cooled, has long been exploited to obtain very simple, compact, reliable and inexpensive actuators. In particular, actuators of this kind are used in some bistable electrical switches to move a drive element from a first stable position to a second stable position and vice versa. The term "drive element" is intended here to have a very general meaning, since it can take a myriad of forms depending on the specific manufacturing needs, as long as its movement is the element that determines the switching of the switch between two stable operating positions.

SMAワイヤの別の用途は特許文献1に記載されており、同文献では、双安定動作を達成することなく、SMA及び付勢ばねからなるアクチュエータによってプランジャが第1のリミットから第2のリミットに移動される流体送達デバイスを開示している。
双安定SMAワイヤアクチュエータのいくつかの例は、本願の出願人による特許文献2~特許文献5に記載されており、これらは全て2本のSMAワイヤを使用した解決策に言及している。
Another application of SMA wire is described in US Pat. No. 5,399,633, which discloses a fluid delivery device in which a plunger is moved from a first limit to a second limit by an actuator consisting of an SMA and a biasing spring, without achieving bi-stable operation.
Some examples of bistable SMA wire actuators are described in the applicant's US Pat. Nos. 5,399,433 to 5,633,641, all of which refer to a solution using two SMA wires.

これら全ての解決策に共通する主な欠点の1つは、SMAワイヤの作動が温度に基づいているため、周囲の環境の変化に関連する意図しない作動を防ぐことができないことにある。この問題は、SMAベースのアクチュエータの温度が動作中に上昇するデバイス内にある場合に、非常に深刻になる可能性がある。 One major drawback common to all these solutions is that actuation of the SMA wire is temperature based and therefore cannot prevent unintended actuation related to changes in the surrounding environment. This problem can become very severe when the SMA-based actuator is in a device where the temperature increases during operation.

双安定SMAアクチュエータの別の例は、特許文献6に記載されており、双安定動作は、拮抗的な構成(antagonistic configuration)でSMAワイヤを使用することによって実現されている。 Another example of a bistable SMA actuator is described in US Pat. No. 6,399,433, where bistable operation is achieved by using SMA wires in an antagonistic configuration.

異なる原理を利用するSMAベースの解決策は、慣性質量がアクチュエータ本体から分離され、衝撃作動(impulse activation)によってより長い距離にわたって駆動される慣性アクチュエータを開示する特許文献7に記載されている。同文献に記載の発明においては、例えば、後に説明するフローダイバータ(flow diverters)のような特定の用途では、リターンメカニズムを適切に設計するための高度なカスタマイズと、システムを開始位置に戻す必要がある場合の不可避の遅延、及び2つの安定した構成間の「対称性」の欠如を伴うこととなる。 An SMA-based solution utilizing a different principle is described in US Pat. No. 5,399,633, which discloses an inertial actuator in which the inertial mass is decoupled from the actuator body and driven over a longer distance by impulse activation. In this invention, certain applications, such as flow diverters described below, involve a high degree of customization to properly design the return mechanism, unavoidable delays when the system needs to be returned to the starting position, and a lack of "symmetry" between the two stable configurations.

国際公開第2004/032994号International Publication No. 2004/032994 米国特許第4544988号明細書U.S. Pat. No. 4,544,988 米国特許第5977858号明細書U.S. Pat. No. 5,977,858 米国特許第6943653号明細書U.S. Pat. No. 6,943,653 欧州特許第2735013号明細書European Patent No. 2735013 米国特許第4965545号明細書U.S. Pat. No. 4,965,545 米国特許第8656713号明細書U.S. Pat. No. 8,656,713 特開2003-278051号公報JP 2003-278051 A 米国特許第9068561号明細書U.S. Pat. No. 9,068,561 米国特許第6835083号明細書U.S. Pat. No. 6,835,083

“The Mechanical Response of Shape Memory Alloys Under a Rapid Heating Pulse” by Vollach et al published in 2010 on Experimental Mechanics“The Mechanical Response of Shape Memory Alloys Under a Rapid Heating Pulse” by Vollach et al published in 2010 on Experimental Mechanics “High-speed and high-efficiency shape memory alloy actuation” by Motzki et al. published in 2018 on Smart Materials and Structures“High-speed and high-efficiency shape memory alloy actuation” by Motzki et al. published in 2018 on Smart Materials and Structures ”A Study of the Properties of a High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite to Austenite Transformation Temperature” by Dennis W. Norwich presented at the SMST 2010 conference“A Study of the Properties of a High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite to Austenite Transformation Temperature” by Dennis W. Norwich presented at the SMST 2010 conference

本発明の目的は、迅速なスイッチング及び偶発的な作動を防止することができる解決策で従来技術の欠点を克服することであり、その第1の態様は、短い電流パルスによって作動可能な1または複数のSMAワイヤに接続された本体を含む双安定SMA慣性アクチュエータ(inertial actuator)である。前記1または複数のSMAワイヤは、0.025mm~0.5mmの直径を有すると共に、前記1または複数のSMAワイヤの同時作動の下で、第1の安定位置と第2の安定位置との間及びその逆を移動する質量Mを有する慣性要素(inertial element)と動作可能に接触されている。前記慣性アクチュエータは、g/mmで表される弾性定数Kを有する弾性的な係止力(elastic locking force)を受ける。これは、最も好ましい実施形態では、本体に取り付けられたばねによって提供される。 The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art with a solution that allows rapid switching and preventing accidental actuation, the first aspect of which is a bistable SMA inertial actuator comprising a body connected to one or more SMA wires actuable by short current pulses. The one or more SMA wires are in operative contact with an inertial element having a diameter of 0.025 mm to 0.5 mm and a mass M that moves between a first stable position and a second stable position and vice versa under simultaneous actuation of the one or more SMA wires. The inertial actuator is subjected to an elastic locking force with an elastic constant K expressed in g/mm, which in the most preferred embodiment is provided by a spring attached to the body.

アクチュエータは、前記弾性定数の逆数、すなわち、mm/gで表される1/Kに、グラムで表される慣性要素の質量Mと、質量Mの慣性要素と動作可能に接触しているSMAワイヤのmmで表される総断面積Aとの間の比を乗じたものとして定義される特性パラメータPを有しており、すなわちP=(1/K)*(M/A)である。本発明者らは、驚くべきことに、システムが、上記で定義された特性パラメータPが特定の範囲内、すなわち、15mm-1~750mm-1、好ましくは25mm-1~500mm-1の間に含まれる限り、双安定挙動を確立することができるという点で、ワイヤの直径、弾性定数K、及び慣性要素質量Mに関して本質的に不変であることを発見した。 The actuator has a characteristic parameter P defined as the inverse of said elastic constant, i.e. 1/K expressed in mm/g, multiplied by the ratio between the mass M of the inertial element expressed in grams and the total cross-sectional area A expressed in mm2 of the SMA wire in operative contact with the inertial element of mass M, i.e. P=(1/K)*(M/A). The inventors have surprisingly discovered that the system is essentially invariant with respect to the wire diameter, the elastic constant K and the inertial element mass M, in that a bistable behavior can be established as long as the characteristic parameter P defined above is comprised within a certain range, i.e. between 15 mm −1 and 750 mm −1 , preferably between 25 mm −1 and 500 mm −1 .

電流パルスの発生源については本発明の対象ではなく、(本体に取り付けられている)双安定慣性アクチュエータの一部または単に外部にあって良いことは当該技術分野で広く知られており、適切な配線(cabling)によって1または複数のSMAワイヤに接続されている。例えば、形状記憶要素に短い作動パルスを提供する最も簡単な方法の1つは、前述の特許文献7に記載されているように、コンデンサ放電を介することである。このようなコンデンサは、アクチュエータ本体に簡単に一体化して取り付けることも、アクチュエータ本体の外部に取り付けることもできる。 The source of the current pulse is not the subject of this invention and is well known in the art, it may be part of the bistable inertial actuator (attached to the body) or simply external, connected to one or more SMA wires by suitable cabling. For example, one of the simplest ways to provide a short actuation pulse to a shape memory element is via a capacitor discharge, as described in the aforementioned US Pat. No. 5,399,363. Such a capacitor can be simply integrated and attached to the actuator body or it can be attached externally to the actuator body.

本発明において、複数のSMAワイヤが質量Mの慣性要素と動作可能に接触している場合、SMAワイヤは同一または非常に類似した直径(±10%)を有しており、そうでなければ、システムはSMAワイヤの電流制御と調整に関して複雑になってしまう。更に作業の多くは最大直径のワイヤによって実行され、追加の作業は、操作上の貢献が限られ、対処するのが面倒な追加の複雑さをもたらす。 In the present invention, when multiple SMA wires are in operative contact with an inertial element of mass M, the SMA wires have the same or very similar diameters (±10%); otherwise, the system becomes complicated with respect to current control and regulation of the SMA wires. Furthermore, much of the work is performed by the largest diameter wire, and the additional work has limited operational contribution and introduces additional complexity that is cumbersome to address.

全てのSMAワイヤが同時に本体の質量変位(mass displacement)に寄与するため、現在の構成はSMAワイヤの引っ張りを最大化し、さまざまな利点(より高い質量変位能力、小型化、簡素化された制御電子機器)を実現できることを明確化(underline)することが重要である。SMAワイヤが拮抗的な構成になっているため、前述の特許文献6に示されている構造ではこれら全てを実現することはできない。 It is important to underline that since all SMA wires simultaneously contribute to the mass displacement of the body, the current configuration maximizes the pulling of the SMA wires and achieves various benefits (higher mass displacement capacity, smaller size, simplified control electronics). All of this cannot be achieved with the structure shown in the aforementioned US Pat. No. 6,333,363, due to the antagonistic configuration of the SMA wires.

実際のSMAワイヤでは、円形断面から逸脱する可能性があり、従って、直径という用語は、最小の囲み円の直径として意図されることを明確化しておくことも重要である。 It is also important to clarify that actual SMA wire may deviate from a circular cross-section, and therefore the term diameter is intended as the diameter of the smallest enclosing circle.

慣性要素がそれぞれその2つの安定した位置にある、本発明によるアクチュエータの第1の実施形態の上方からの概略図である。1 is a schematic view from above of a first embodiment of an actuator according to the invention, with an inertial element in each of its two stable positions; FIG. 慣性要素がそれぞれその2つの安定した位置にある、本発明によるアクチュエータの第1の実施形態の上方からの概略図である。1 is a schematic view from above of a first embodiment of an actuator according to the invention, with an inertial element in each of its two stable positions; FIG. 図1~図2のアクチュエータの変形例の上方からの概略図である。FIG. 3 is a schematic view from above of a variant of the actuator of FIGS. 1-2; 図1~図2のアクチュエータの変形例の概略斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view of a modified example of the actuator of FIGS. 1 and 2. 本発明による双安定SMA慣性アクチュエータを組み込んだエアバッグの概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an airbag incorporating a bistable SMA inertial actuator according to the present invention; 本発明による双安定SMA慣性アクチュエータを組み込んだダンパーの概略シースルー図である。FIG. 2 is a schematic see-through view of a damper incorporating a bistable SMA inertial actuator according to the present invention. 第2の実施形態による双安定SMA慣性アクチュエータを組み込んだフローダイバータバルブの概略断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a flow diverter valve incorporating a bistable SMA inertial actuator according to a second embodiment. 第2の実施形態による双安定SMA慣性アクチュエータを組み込んだフローダイバータバルブの概略断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a flow diverter valve incorporating a bistable SMA inertial actuator according to a second embodiment. 第1の実施形態による双安定SMA慣性アクチュエータを組み込んだパドロックの概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of a padlock incorporating a bistable SMA inertial actuator according to a first embodiment; 第1の実施形態による双安定SMA慣性アクチュエータを組み込んだパドロックの概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of a padlock incorporating a bistable SMA inertial actuator according to a first embodiment;

本発明は、以下の図を参照しつつ更に説明される。 The invention will be further described with reference to the following figures:

図では、理解を容易にするために、場合によっては示されているさまざまな要素のサイズと寸法比が変更されており、特に、限定はしないが双安定アクチュエータの他の要素に対するSMAワイヤの直径が該当する。また、電流供給源、ワイヤ圧着/固定要素等、本発明の理解に必要の無いいくつかの補助要素は、当該技術分野で知られている通常の手段であるため示されていない。 In the figures, the size and dimensional ratios of various elements shown have been altered in some cases for ease of understanding, in particular but not limited to the diameter of the SMA wire relative to other elements of the bistable actuator. Also, some auxiliary elements not necessary for understanding the invention, such as current sources, wire crimping/fixing elements, etc., are not shown as they are conventional means known in the art.

図1及び図2は、2つの安定した位置にある本発明の第1の実施形態による双安定SMA慣性アクチュエータ10の上方からの概略図を示している。円形セグメント形状を有する主要箇所の大部分(main/major portion)を有するアクチュエータ本体11上で、SMAワイヤ12は、本体11の終端部分に近い点111、111’に固定されている。本体11の円形セグメント部分には3つのヒンジ15、16、16’があり、そのうちの最初のヒンジ15はアクチュエータ本体11の下部中央部分に位置し、本体円形セグメント部分の直径の一時的な拡大を可能且つ容易にする。他の2つのヒンジ16、16’は、本体の円形セグメント部分の終端部分に対応して対称的に配置されている。等しい長さの2つのアーム17、17’は、ヒンジ16、16’を質量Mの慣性要素13と枢動可能に(pivotably)接続している。係止弾性要素(locking elastic element)として作用する弾性定数Kを有するばね14は、本体の円形セグメント部分(割線(secant))の反対側を接続している。図1及び図2の第1の実施形態では、ばね14は直径に等しい長さを有するが、アクチュエータ本体の円形部分の上部または下部に配置された場合、ばね14の長さは短くなる場合がある。 1 and 2 show schematic views from above of a bistable SMA inertial actuator 10 according to a first embodiment of the present invention in two stable positions. On an actuator body 11 having a main/major portion with a circular segment shape, an SMA wire 12 is fixed at points 111, 111' close to the end part of the body 11. The circular segment part of the body 11 has three hinges 15, 16, 16', of which the first hinge 15 is located in the lower central part of the actuator body 11 and allows and facilitates temporary expansion of the diameter of the circular segment part of the body. The other two hinges 16, 16' are symmetrically arranged corresponding to the end parts of the circular segment part of the body. Two arms 17, 17' of equal length pivotally connect the hinges 16, 16' to an inertial element 13 of mass M. A spring 14 having an elastic constant K acting as a locking elastic element connects opposite sides of the circular segment portion (secant) of the body. In the first embodiment of Figures 1 and 2, the spring 14 has a length equal to the diameter, but the length of the spring 14 may be shorter if placed above or below the circular portion of the actuator body.

SMAワイヤ12を急速に作動させて短縮すると、本体の円形要素部分が拡大し、図1に示す内部位置から図2に示す外部位置に移動する質量Mに加速度が伝達される。次に、質量Mの慣性要素13は、2つのヒンジ16、16’を互いに向かって引っ張るばね14の作用によって、その外部位置に安定してしっかりと保持される。ワイヤ12が再び急速に作動させると、アクチュエータ本体11の同じ変形メカニズムによって慣性要素13が加速され、図1に示される内部位置に戻る。 When the SMA wire 12 is rapidly actuated to shorten it, the circular element portion of the body expands, transmitting an acceleration to the mass M which moves from the internal position shown in FIG. 1 to the external position shown in FIG. 2. The inertial element 13 of the mass M is then held stable and firm in its external position by the action of the spring 14 which pulls the two hinges 16, 16' towards each other. When the wire 12 is actuated again rapidly, the same deformation mechanism of the actuator body 11 accelerates the inertial element 13 back to the internal position shown in FIG. 1.

この種のアクチュエータ構成では、円形セグメントのジオメトリの長さを有する主要部分は、好ましくは、完全な円の約2/3から5/6である。 In this type of actuator configuration, the major portion of the circular segment geometry has a length that is preferably about 2/3 to 5/6 of a complete circle.

円の直径は、好ましくは、1mm~2mmから20cmまたはそれ以上で構成され、円の直径の変形は、本発明による双安定慣性アクチュエータの使用から利益を得ることができる異なる用途、小さい物としての用途にはモバイルカメラオートフォーカスアクチュエータ、大きい物としての用途にはピストン等の油圧機器可動部品の摩擦調整、を考慮に入れて適宜行われる。 The diameter of the circle is preferably comprised between 1-2 mm and 20 cm or more, with variations in the diameter of the circle being made accordingly taking into account different applications that can benefit from the use of the bistable inertial actuator according to the invention, such as small applications such as mobile camera autofocus actuators, and larger applications such as friction adjustment of moving parts of hydraulic equipment such as pistons.

本発明は、図1及び図2に示されるような要素及び構成に厳密に限定されないことを強調されるべきであり、例えば、第1の変形例(図示せず)としては、中央のばね14を、アクチュエータ本体11の輪郭に沿ったフレクシャ(flexure)のような平らな弾性要素と置き換えることができる。 It should be emphasized that the invention is not strictly limited to the elements and configurations as shown in Figures 1 and 2; for example, as a first variant (not shown), the central spring 14 can be replaced with a flat elastic element, such as a flexure, that follows the contour of the actuator body 11.

別な類似の変形例が図3A及び図3Bに示され、それぞれ上方からの概略図及び双安定SMA慣性アクチュエータ30の概略斜視図を示しており、変形に対するその抵抗、すなわち直径の拡大によるフレクシャではなく、アクチュエータ本体31自体によって、慣性質量33に弾性的な付勢力/係止力を提供している。更に、この解決策は、本体31の下部に配置されたヒンジ(すなわち、図1及び図2の要素15)を必要とせず、等しい長さのアーム37、37’を通る慣性要素33の移動のために単にヒンジ36、36’を必要とする。 Another similar variant is shown in Figures 3A and 3B, which show a schematic view from above and a schematic perspective view of a bistable SMA inertial actuator 30, respectively, in which the elastic biasing/locking force is provided to the inertial mass 33 by the actuator body 31 itself, not by its resistance to deformation, i.e., by a flexure due to the expansion of the diameter. Furthermore, this solution does not require a hinge (i.e., element 15 in Figures 1 and 2) located at the bottom of the body 31, but simply hinges 36, 36' for the movement of the inertial element 33 through arms 37, 37' of equal length.

この変形例には、並列に接続された3つのSMAワイヤ32、32’、32’’も含まれる。 This variation also includes three SMA wires 32, 32', 32'' connected in parallel.

上記の実施形態は、本発明の進歩性のある概念に含まれる多くの変形例及び可能な要素の組み合わせが存在することを示している。例えば、別の直接の変形例では、SMAワイヤを直列に使用しており、すなわち図1及び図2では、2本のSMAワイヤをそれぞれヒンジ15とポイント111、111’との間に接続するか、例えば、特許文献8に記載されているような生地(cloth)等の適切な保持要素に埋め込まれた(embedded)所与のパターンで複数のワイヤを使用しても構わない。 The above embodiments show that there are many variations and possible combinations of elements that fall within the inventive concept of the present invention. For example, another straightforward variation is to use SMA wires in series, i.e. in Figs. 1 and 2, two SMA wires each connected between hinge 15 and points 111, 111', or to use multiple wires in a given pattern embedded in a suitable retaining element, such as a cloth, as described in, for example, US Pat. No. 5,399,363.

更に、好ましくは、ヒンジ16、16’を2つのアーム17、17’に沿って慣性要素13を介して接続する経路、及びヒンジ36、36’を2つのアーム37、37’に沿って慣性要素33を介して接続する経路の長さは、前記ヒンジを接続する直線の長さの1.1倍~3倍の間である。 Moreover, preferably, the length of the path connecting the hinges 16, 16' along the two arms 17, 17' via the inertial element 13, and the length of the path connecting the hinges 36, 36' along the two arms 37, 37' via the inertial element 33 are between 1.1 and 3 times the length of the straight line connecting the hinges.

既に述べたように、本発明に従って作製されたアクチュエータは、環境温度変動等の外部要因に関連する意図しない作動を防止することができる。この側面は、偶発的な作動がデバイスの動作に有害であるだけでなく、安全上の問題を引き起こす可能性がある幅広い用途で最も重要であり、エアバッグは、この問題に適切に対処する必要がある用途の1つと言える。 As already mentioned, actuators made according to the present invention are able to prevent unintended actuation related to external factors such as environmental temperature fluctuations. This aspect is of paramount importance in a wide range of applications where accidental actuation may not only be detrimental to the operation of the device but may also pose a safety hazard, airbags being one such application where this issue needs to be adequately addressed.

これに関して、図4は、図1及び図2に示される実施形態による、双安定SMA慣性アクチュエータ10を組み込んだエアバッグの加圧部分40を示している。そのようなアクチュエータ10は、破壊可能なシール44が設けられ、密封且つ加圧された気体容器43と(図示しない)膨張されるエアバッグとを連通させるチャネル42を有するフレーム41に取り付けられている。双安定SMA慣性アクチュエータ10は、負荷がかけられたばね(loaded spring)45とパンチ46との間に挿入され、負荷がかけられたばねが解放され、SMAワイヤ12の(高速)作動時にパンチ46に作用してシール44を破壊する。既に述べたように、この用途は、意図しない作動を防止するので、本発明による双安定SMA慣性アクチュエータの使用から大いに利益を得る。 In this regard, FIG. 4 shows a pressurized part 40 of an airbag incorporating a bistable SMA inertial actuator 10 according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2. Such an actuator 10 is mounted on a frame 41 provided with a breakable seal 44 and having a channel 42 communicating between a sealed and pressurized gas container 43 and the airbag to be inflated (not shown). The bistable SMA inertial actuator 10 is inserted between a loaded spring 45 and a punch 46, which, when released, acts on the punch 46 to break the seal 44 upon (high speed) actuation of the SMA wire 12. As already mentioned, this application greatly benefits from the use of a bistable SMA inertial actuator according to the invention, since it prevents unintended actuation.

異なるタイプの装置における本発明による双安定SMA慣性アクチュエータ10の用途が図5に示されている。この場合、ダンパー50は、固定フレーム51を有し、固定端52及び可動端53が、適切な開口を通ってフレーム51内を摺動するシャフト54に取り付けられている。摩擦、及び垂直移動/振動(vertical movement/oscillation)において摺動するシャフト54が遭遇する減衰挙動は、双安定SMA慣性アクチュエータ10によって調節され、アクチュエータ10は、2つの安定した位置のうちの1つで可動シャフトに一層高い圧縮を付与し、加えられる摩擦力を増大させ、これにより剛性を向上させる。 The application of the bistable SMA inertial actuator 10 according to the invention in different types of devices is shown in FIG. 5. In this case, the damper 50 has a fixed frame 51 and is attached to a shaft 54 with a fixed end 52 and a movable end 53 that slides within the frame 51 through suitable openings. The friction and damping behavior encountered by the sliding shaft 54 in vertical movement/oscillation is accommodated by the bistable SMA inertial actuator 10, which applies a higher compression to the moving shaft in one of two stable positions, increasing the applied frictional force and thus improving stiffness.

図6及び図7は、慣性質量63に動作可能に接続されたSMAワイヤ62を含む双安定SMA慣性アクチュエータ60によって入口601と選択的に連通される入口601並びに2つの出口602及び602’を有する流れ迂回弁(flow diverting valve)600を示しており、2つの出口のそれぞれに対して交互にシャッターとして作用している。第1のアーム66は慣性質量63をピボット65に連結し、アクチュエータ本体61内を摺動し、その周りにはSMAワイヤ62が巻かれている。第2のアーム67は、慣性質量63を固定ピボット68に連結しており、前記アーム66、67は枢動接合要素(pivoting joining element)69を介して慣性質量63に取り付けられている。第2のアーム67はまた、固定ピボット68の周りでアーム67の回転を可能にするために、要素69が摺動することができるスロット67aを備え、弾性的な係止力は、SMAワイヤ62の作用に反対する方向に、摺動しているピボット65に作用している付勢ばね64によって提供される。SMAワイヤ62が高速で作動すると、慣性質量63が垂直に摺動し、従って、出口602及び出口602’の一方を開き、他方の出口のシャッターとして機能する。これは、作動が調整された流れの温度には依存しないため、慣性質量移動を始動させるために高速作動を可能とでき、大いに恩恵を受ける別の用途である。 6 and 7 show a flow diverting valve 600 having an inlet 601 and two outlets 602 and 602' selectively communicated with the inlet 601 by a bistable SMA inertial actuator 60 including an SMA wire 62 operatively connected to an inertial mass 63, acting alternately as a shutter for each of the two outlets. A first arm 66 connects the inertial mass 63 to a pivot 65 and slides within the actuator body 61, around which the SMA wire 62 is wound. A second arm 67 connects the inertial mass 63 to a fixed pivot 68, said arms 66, 67 being attached to the inertial mass 63 via a pivoting joining element 69. The second arm 67 also comprises a slot 67a in which an element 69 can slide to allow rotation of the arm 67 around a fixed pivot 68, the elastic locking force being provided by a biasing spring 64 acting on the sliding pivot 65 in a direction opposite to the action of the SMA wire 62. When the SMA wire 62 is actuated at high speed, the inertial mass 63 slides vertically, thus opening one of the outlets 602 and 602' and acting as a shutter for the other outlet. This is another application that greatly benefits from the possibility of high speed actuation to initiate the inertial mass movement, since actuation is independent of the temperature of the regulated flow.

バルブ内の流体的な連通について図6及び図7に詳述されているのと同じ原理を、他の分野、例えば低電圧/高電圧スイッチ用の電子回路、またはキーを挿入するために、キーロック開口部への物理的アクセスを可能にする機械式ロックにも適用することができ、これによりセキュリティレベルを向上させることができる。 The same principles detailed in Figures 6 and 7 for fluid communication within a valve can also be applied in other areas, such as electronic circuits for low voltage/high voltage switches, or mechanical locks that allow physical access to a key lock opening to insert a key, thereby providing an increased level of security.

本発明の双安定アクチュエータが有利に適用される別の用途は、パドロック(padlocks)等のスマートロックである。SMA慣性双安定パドロック(SMA inertial bistable padlock)は、高速作動の利点を活用して1または複数の双安定メカニズムを動かし、パドロックの鋼製シャックル(steel shackle)をロック/ロック解除することにより、標準のSMAパドロックの限界を克服できる装置である。 Another application in which the bistable actuator of the present invention can be advantageously applied is smart locks such as padlocks. SMA inertial bistable padlocks are devices that overcome the limitations of standard SMA padlocks by taking advantage of the fast actuation to move one or more bistable mechanisms to lock/unlock the padlock's steel shackle.

実際、SMA慣性メカニズムは、パドロックのケースに直接接触する火炎または別の外部熱源によって与えられる加熱速度は、双安定メカニズムの状態を切り替えるのに十分な速さではないため、熱自己作動の影響を受けることはない。更に、機械的衝撃による開口が起きることを回避するために、異なる作業方向(例えば、x、y、またはz)及び/または適用方向(南北、南北)でメカニズムを二重化(duplicate)または三重化(triplicate)することが可能である。SMA慣性パドロックは電気的に作動するため、電気入力を例えば指紋、顔認識、キーによって直接的に、または例えばWi-Fi、ブルートゥース(登録商標)、RFID、GSMによって間接的に制御することができる。 In fact, SMA inertial mechanisms are not subject to thermal self-actuation because the heating rate imparted by a flame or another external heat source in direct contact with the padlock case is not fast enough to switch the state of the bistable mechanism. Furthermore, it is possible to duplicate or triplicate the mechanism with different working directions (e.g., x, y, or z) and/or application directions (north-south, north-south) to avoid mechanical shock opening. Since SMA inertial padlocks are electrically actuated, electrical inputs can be controlled directly, e.g., by fingerprint, face recognition, key, or indirectly, e.g., by Wi-Fi, Bluetooth, RFID, GSM.

パドロックにおける第1の実施形態による双安定SMAアクチュエータの使用例は、図7及び図8の斜視図に示されている。パドロック700は、図7に示すように、摺動式シャックル702を保持する中実本体(solid body)701と、シャックルのくぼみ702’に係合する係止ピン10’を備えた双安定慣性SMAアクチュエータ10を備えている。図8は、シャックル702がパドロック本体701から自由に滑り出ること(slide out)ができるように、係止ピン10’が窪み702’から外れた状態で第2の安定位置にある双安定慣性SMAアクチュエータ10を示している。 The use of the bistable SMA actuator according to the first embodiment in a padlock is shown in the perspective views of Figures 7 and 8. The padlock 700 includes a solid body 701 that holds a sliding shackle 702, and a bistable inertial SMA actuator 10 with a locking pin 10' that engages a recess 702' in the shackle, as shown in Figure 7. Figure 8 shows the bistable inertial SMA actuator 10 in a second stable position with the locking pin 10' disengaged from the recess 702' so that the shackle 702 can slide out freely from the padlock body 701.

図8及び図9のパドロック700は、パドロック本体701から完全に取り出すことができる摺動式シャックル702を有するが、直接の変形例(図示せず)では、異なる長さの脚部を備えた摺動式シャックルを想定しており、シャックルの部分的な摺動によって短い方の脚部が自由に動けるようになり、パドロックを開くと同時に、長い方の脚部の上で適切なストッパーによってシャックルを保持する。 The padlock 700 of Figures 8 and 9 has a sliding shackle 702 that can be fully removed from the padlock body 701, but a direct variant (not shown) envisages a sliding shackle with legs of different lengths, where partial sliding of the shackle allows the shorter legs to move freely, opening the padlock while retaining the shackle on the longer legs with a suitable stop.

当業者であれば、SMAワイヤの迅速な作動を達成する方法を理解していることは強調されるべきであり、例えば非特許文献1または非特許文献2を参照されたい。 It should be emphasized that a person skilled in the art would understand how to achieve rapid actuation of SMA wires, see for example Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2.

作動時間(actuation time)とは、SMAワイヤをオーステナイト相にある温度、いわゆるAf温度にするのに必要な時間を意図したものである。このような効果を達成するために、直径が100μm未満のワイヤ等の細いワイヤの場合でも、一部の電子回路はコンデンサ等のSMAワイヤ電流供給に関連付けられている場合があり、電池でもそのような短い作動時間を達成することができる。 By actuation time is intended the time required to bring the SMA wire to a temperature in the austenitic phase, the so-called Af temperature. To achieve such an effect, even in the case of thin wires, such as wires with a diameter of less than 100 μm, some electronic circuitry may be associated with the SMA wire current supply, such as a capacitor, and even a battery can achieve such short actuation times.

作動時間を駆動及び決定する実際のパラメータは、パルスの作動期間(actuation pulse duration)、すなわち、SMAワイヤに電流が供給される時間である。そのようなパルスの作動期間は、結果として、上で定義されたような作動時間よりもはるかに短い。 The actual parameter that drives and determines the actuation time is the actuation pulse duration, i.e. the time during which current is supplied to the SMA wire. Such an actuation pulse duration is consequently much shorter than the actuation time as defined above.

その第2の態様では、本発明は、双安定SMA慣性アクチュエータを動作させる方法、より具体的には、作動パルスが短い、すなわち、SMAワイヤに印加される電流の期間が0.1ミリ秒~50ミリ秒、好ましくは1ミリ秒~25ミリ秒である方法に関する。 In its second aspect, the invention relates to a method for operating a bistable SMA inertial actuator, more specifically a method in which the actuation pulse is short, i.e. the duration of the current applied to the SMA wire is between 0.1 ms and 50 ms, preferably between 1 ms and 25 ms.

本発明は、特定のSMA材料に限定されないが、その処理によれば代替的に超弾性ワイヤ挙動(superelastic wire behavior)またはSMA挙動を示し得るニチノール等のNi-Tiベースの合金が好ましい。ニチノールの特性及びそれらを達成することを可能にする方法は、当業者に広く知られており、例えば非特許文献3を参照されたい。 The present invention is not limited to a particular SMA material, but Ni-Ti based alloys such as Nitinol, which may alternatively exhibit superelastic wire behavior or SMA behavior depending on the processing, are preferred. The properties of Nitinol and the methods that make it possible to achieve them are widely known to those skilled in the art, see for example Non-Patent Document 3.

ニチノールをそのまま使用することも、Hf、Nb、Pt、Cu等の元素を添加することで転移温度(transition temperature)の特性を調整することもできる。材料合金の適切な選択及びその特性は、当業者に一般に知られており、例えば、以下を参照されたい:
http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures
Nitinol can be used as is, or its transition temperature characteristics can be adjusted by adding elements such as Hf, Nb, Pt, Cu, etc. The appropriate selection of material alloys and their properties are generally known to those skilled in the art, see, for example:
http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures

また、SMAワイヤは、「それ自体」またはコーティング/シースと共に使用して、それらの熱管理(thermal management)、すなわち、作動後のそれらの冷却を改善することができる。コーティングシースは、熱伝導体である電気絶縁コーティングを用いることによって残留熱を管理する方法を教示する特許文献9に記載されているように均一であり得るが、特許文献10は、SMAワイヤが、全ての作動サイクル後に冷却を改善することができる囲繞シース(enclosing sheath)を備えていることを開示している。また、出願人による国際公開第2019/003198号に記載されているような、相変化材料の適切な分散を伴うコーティングを有利に使用することができる。 SMA wires can also be used "by themselves" or with a coating/sheath to improve their thermal management, i.e. their cooling after actuation. The coating sheath can be uniform as described in US Pat. No. 5,399,366, which teaches how to manage residual heat by using an electrically insulating coating that is a thermal conductor, but US Pat. No. 5,399,366 discloses that the SMA wire is provided with an enclosing sheath that can improve cooling after every actuation cycle. Also, coatings with a suitable dispersion of phase change material can be used to advantage, as described in the applicant's WO 2019/003198.

一連の実験は、図1に示すように、単一のSMAワイヤ12を備え、直径155.03mmのプラスチック本体11と長さ45mmのアーム17、17’で作製された、本発明による双安定アクチュエータの試作品で行われた。 A series of experiments was carried out on a prototype bistable actuator of the present invention, made with a single SMA wire 12, a plastic body 11 with a diameter of 155.03 mm, and arms 17, 17' with lengths of 45 mm, as shown in Figure 1.

異なる直径のSMAワイヤは、As=95°Cの同じ標準ニチノール材料で、異なる慣性質量を有すると共に、さまざまな弾性定数を持つ付勢ばねがテストされた。結果を下表に示すが、本発明に従って作成された実施例には接頭辞Sを使用し、本発明の範囲外の比較例には接頭辞Cが付されている。 Different diameters of SMA wire were tested with the same standard Nitinol material at As=95°C, with different masses of inertia, as well as biasing springs with various elastic constants. The results are shown in the table below, with examples made in accordance with the invention denoted with the prefix S and comparative examples outside the scope of the invention denoted with the prefix C.

Figure 0007561859000001
Figure 0007561859000001

上記のさまざまな例から観察できるように、特性パラメータPの適切な値との組み合わせのみが満足のいく双安定動作を達成できたが、特定の範囲を上回るかまたは下回る値では不満足な動作となった。 As can be observed from the various examples above, only combinations with appropriate values of the characteristic parameter P could achieve satisfactory bistable operation, while values above or below certain ranges resulted in unsatisfactory operation.

上記の表に報告されている全ての結果は、13ミリ秒のパルス作動期間で行われた。 All results reported in the table above were performed with a pulse actuation period of 13 ms.

異なるパルス作動期間でのSMAワイヤの影響の評価は、本発明によるサンプルのサブセット、すなわちサンプルS1、S4、S7について実施された。より具体的には、システムの挙動は、慣性質量が跳ね返りを伴う極めて速い作動(パルス作動期間<0.1ms)で評価されたが、極めて遅い作動(パルス作動期間>50ms)では、慣性質量は第2の安定位置に到達することができなかった。 The evaluation of the influence of the SMA wire at different pulse actuation periods was carried out on a subset of samples according to the invention, namely samples S1, S4 and S7. More specifically, the behavior of the system was evaluated at very fast actuations (pulse actuation periods <0.1 ms) with the inertial mass bouncing, whereas at very slow actuations (pulse actuation periods >50 ms) the inertial mass was not able to reach the second stable position.

Claims (13)

電子回路で生成された電流パルスによって作動可能な1または複数のSMAワイヤ(12;32,32’,32”;62)に接続されたアクチュエータ本体(11;31;61)を含む双安定SMA慣性アクチュエータ(10;30;60)であって、
前記1または複数のSMAワイヤ(12;32,32’,32”;62)は、第1の安定位置と第2の安定位置との間及びその逆を移動する慣性要素(13;33;63)と動作可能に接触されており、
前記アクチュエータは、g/mm(0.0098N/mm)で表される弾性定数Kで係止力を受けており、
前記慣性要素(13;33;63)は、0.025mm~0.5mmの直径を有する前記1または複数のSMAワイヤ(12;32,32’,32”;62)の同時作動の下で、前記第1の安定位置と前記第2の安定位置との間及びその逆を移動可能であり、
前記アクチュエータは、前記弾性定数の逆数に、グラムで表される前記慣性要素(13;33;63)の質量Mと、前記慣性要素(13;33;63)と動作可能に接触している前記1または複数のSMAワイヤ(12;32,32’,32”;62)のmmで表される総断面積Aとの間の比を乗じたものとして定義され、P=(1/K)*(M/A)である特性パラメータPを有しており、
該特性パラメータPが、23.31mm -1~653mm-1の間であり、
前記電子回路は、0.1ミリ秒~50ミリ秒の間の作動期間の電流パルスを生成するように構成されていることを特徴とする双安定SMA慣性アクチュエータ。
A bistable SMA inertial actuator (10; 30; 60) comprising an actuator body (11; 31; 61) connected to one or more SMA wires (12; 32, 32', 32"; 62) actuatable by current pulses generated by an electronic circuit,
said one or more SMA wires (12; 32, 32', 32"; 62) being in operative contact with an inertial element (13; 33; 63) which moves between a first stable position and a second stable position and vice versa;
The actuator is subjected to a locking force with an elastic constant K expressed in g/mm (0.0098 N/mm),
said inertial element (13; 33; 63) being movable between said first and second stable positions and vice versa under simultaneous actuation of said one or more SMA wires (12; 32, 32', 32"; 62) having a diameter between 0.025 mm and 0.5 mm,
said actuator having a characteristic parameter P defined as the inverse of said elastic constant multiplied by the ratio between the mass M of said inertial element (13; 33; 63) expressed in grams and the total cross-sectional area A expressed in mm2 of said SMA wire(s) (12; 32, 32', 32"; 62) in operative contact with said inertial element (13; 33; 63), where P=(1/K)*(M/A),
The characteristic parameter P is between 23.31 mm −1 and 653 mm −1 ;
The bistable SMA inertial actuator, wherein the electronic circuitry is configured to generate current pulses with actuation durations between 0.1 milliseconds and 50 milliseconds.
前記特性パラメータPが、25mm-1~500mm-1の間である、請求項1に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 The bistable SMA inertial actuator of claim 1 , wherein the characteristic parameter P is between 25 mm −1 and 500 mm −1 . 前記電子回路は、1ミリ秒~25ミリ秒の間の作動期間の電流パルスを生成するように構成されている、請求項1または2に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 A bistable SMA inertial actuator as claimed in claim 1 or 2, wherein the electronic circuit is configured to generate current pulses with an actuation period between 1 ms and 25 ms. 前記電流パルスを生成する前記電子回路の少なくとも1つの要素は前記アクチュエータ本体(11;31;61)に取り付けられている、請求項1~3のいずれか一項に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 A bistable SMA inertial actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one element of the electronic circuit that generates the current pulses is attached to the actuator body (11; 31; 61). 前記電子回路の前記少なくとも1つの要素はコンデンサである、請求項4に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 The bistable SMA inertial actuator of claim 4, wherein the at least one element of the electronic circuit is a capacitor. 並列または直列に接続された複数のSMAワイヤ(12;32,32’,32”;62)を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 A bistable SMA inertial actuator according to any one of claims 1 to 5, comprising a plurality of SMA wires (12; 32, 32', 32"; 62) connected in parallel or series. 弾性定数Kを有する前記係止力が、前記アクチュエータ本体(11;61)に接続された弾性要素(14;64)によって提供されるか、または前記アクチュエータ本体(31)自身によって提供される、請求項1~6のいずれか一項に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 The bistable SMA inertial actuator of any one of claims 1 to 6, wherein the locking force having an elastic constant K is provided by an elastic element (14; 64) connected to the actuator body (11; 61) or by the actuator body (31) itself. 前記アクチュエータ本体(11;31)が、完全な円の2/3から5/6である円形セグメントのジオメトリを有する主要部分を有している、請求項1~7のいずれか一項に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 A bistable SMA inertial actuator according to any one of claims 1 to 7, wherein the actuator body (11; 31) has a main portion with a geometry of a circular segment that is 2/3 to 5/6 of a complete circle. 円形セグメントのジオメトリを有する前記アクチュエータ本体(11;31)上に複数のヒンジ(15,16,16’;36,36’)が配されている、請求項8に記載の双安定SMA慣性アクチュエータ。 The bistable SMA inertial actuator of claim 8, wherein a plurality of hinges (15, 16, 16'; 36, 36') are arranged on the actuator body (11; 31) having a circular segment geometry. 装置の作動を制御するための、請求項1~9のいずれか一項に記載の双安定SMA慣性アクチュエータの使用。 Use of a bistable SMA inertial actuator according to any one of claims 1 to 9 to control the actuation of a device. 前記装置が、エアバッグ(40)、ダンパー(50)、フローダイバータバルブ(600)、電気回路スイッチ、パドロックまたはロックである、請求項10に記載の双安定SMA慣性アクチュエータの使用。 The use of the bistable SMA inertial actuator of claim 10, wherein the device is an airbag (40), a damper (50), a flow diverter valve (600), an electrical circuit switch, a padlock or a lock. 前記1または複数のSMAワイヤ(12;32,32’,32”;62)を作動させるための前記電流パルスの作動期間が、0.1ミリ秒~50ミリ秒である、請求項1~9のいずれか一項に記載の双安定SMA慣性アクチュエータの作動方法。 A method for operating a bistable SMA inertial actuator according to any one of claims 1 to 9, wherein the duration of the current pulse for actuating the one or more SMA wires (12; 32, 32', 32"; 62) is between 0.1 ms and 50 ms. 前記1または複数のSMAワイヤ(12;32,32’,32”;62)を作動させるための前記電流パルスの作動期間が、1ミリ秒~25ミリ秒である、請求項12に記載の双安定SMA慣性アクチュエータの作動方法。 The method of operating a bistable SMA inertial actuator according to claim 12, wherein the duration of the current pulse for actuating the one or more SMA wires (12; 32, 32', 32"; 62) is between 1 ms and 25 ms.
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